Después de 166 años, el motor de combustión todavía tiene potencial sin explotar

Uno de los mayores descubrimientos de nuestro tiempo ha sido la invención de los motores de combustión interna, que desempeñaron un papel significativo en el desarrollo de la industrialización y, a su vez, de la civilización humana.

Estos motores fueron inventados por primera vez en el siglo XIX, aunque científicos e ingenieros comenzaron a contribuir a su desarrollo una década antes del inicio de este período.

Una turbina de gas se desarrolló en 1791, y un motor de gas fue patentado unos años después. Se presentó una patente para un motor de combustión interna, que también fue el primero en usar combustible líquido, en 1794, y antes de que terminara el siglo, se construyó el primer motor de combustión interna estadounidense.

Mientras que el primer automóvil que funcionó con un motor de combustión interna se creó en 1862, el primer motor de combustión moderno no apareció hasta más de una década después, en 1876. En 1885, Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach mejoraron el diseño e inventaron el primer motor de combustión interna práctico y el carburador.

Ahora, ¿cómo funciona exactamente un motor de combustión? Bueno, para empezar, la combustión es un proceso químico bajo el cual se libera energía al encender una mezcla de combustible y aire. Los motores de combustión interna (ICE) convierten parcialmente esa energía en trabajo mecánico.

Cuando la mezcla de combustible y aire se enciende, ocurren miles de pequeñas explosiones controladas, que son combustión o quema.

En un ICE, la ignición del combustible y la combustión ocurren dentro del motor, que consta de un cilindro fijo y un pistón móvil. La quema provoca la expansión de los gases y la liberación de calor, lo que empuja el pistón hacia arriba y hacia abajo. Esto, a su vez, hace girar el cigüeñal mediante un sistema de engranajes en la transmisión, impulsando las ruedas del vehículo hacia adelante.

Existen dos tipos de motores de combustión interna: el motor de gasolina de encendido por chispa y el motor diésel de encendido por compresión, cuya diferencia radica en la forma en que se suministra e inflama el combustible.

Los motores de combustión dominan pero enfrentan desafíos

Ahora, más de un siglo y medio después de su invención, más de mil millones de motores de combustión interna (ICE) siguen circulando en las carreteras de todo el mundo.

Mientras tanto, el mercado mundial de motores de combustión tiene un valor actual de alrededor de 200 mil millones de dólares y se espera que crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) del 9,2 % hasta alcanzar los 300 mil millones de dólares para 2033, impulsado por la creciente demanda de vehículos en mercados emergentes y los avances tecnológicos en el diseño de motores.

Sin embargo, el mayor desafío para los motores de combustión es el auge de los vehículos eléctricos (EV) y las regulaciones de emisiones más estrictas.

Pero aunque los EV están convirtiéndose en algo más común, representando alrededor del 18 % de todas las ventas de autos nuevos a nivel mundial, frente al escaso 2 % en 2018, los EV siguen siendo un porcentaje realmente pequeño del total de vehículos con motor de combustión en la carretera. Con una cuota de mercado estimada del 3‑5 %, de cada 100 vehículos de motor de combustión, solo cada tercer o quinto vehículo es un EV.

La creciente tendencia de los EV está impulsada por la creciente demanda de motores, lo que conduce al agotamiento de los combustibles fósiles y a un aumento dramático de la contaminación en todo el mundo.

Debido a que la gasolina y el diésel son los combustibles más dominantes en el sector automotriz, la contaminación ambiental sigue siendo la principal preocupación con los motores de combustión. Las principales emisiones de estos motores son hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y material particulado.

Esto está provocando graves riesgos para la salud y el calentamiento global, lo que ha llevado a los países de todo el mundo a implementar regulaciones estrictas para abordar las emisiones del sector automotriz. Esto ha llevado a ingenieros e investigadores automotrices a experimentar con diversas tecnologías de motor, así como con combustibles renovables y más ecológicos.

Con algunos países incluso optando por una prohibición total de los motores de combustión interna, los investigadores también están avanzando en estos motores para mejorar su rendimiento y reducir su impacto ambiental.

Haciendo que los motores de combustión sean eficientes al convertir el calor desperdiciado en energía

Los motores de combustión interna producen energía potente, pero no toda la energía que se genera se utiliza. De hecho, solo alrededor del 25 % al 30 % de la energía química se convierte en potencia utilizable.

La mayor parte se almacena en el combustible que se pierde como calor a través del escape y los sistemas de refrigeración del motor. Sin embargo, existe una forma de aprovechar toda la energía perdida, y los científicos están trabajando en encontrar soluciones para darle un uso productivo.

estudio publicado¹ este año en ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces ha demostrado cómo el calor de escape puede convertirse en electricidad, proporcionando una fuente de energía sostenible.

Con financiación de la Oficina de Investigación Naval, el Programa de Fondos de Innovación Rápida del Ejército y la Industria de la National Science Foundation, investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Pensilvania han presentado un prototipo de sistema generador termoeléctrico.

El generador termoeléctrico (TEG) puede reducir el consumo de combustible así como las emisiones de dióxido de carbono (CO2). La ineficiencia del combustible es un importante contribuyente a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y subraya la necesidad de sistemas innovadores de recuperación de calor residual como el TEG.

Estos sistemas de recuperación de calor TEG utilizan materiales semiconductores para transformar el calor en electricidad.

Inventados hace más de doscientos años, los sistemas TEG pueden usarse en dispositivos electrónicos, dispositivos médicos y aeroespaciales. Estos sistemas no tienen partes móviles ni subproductos químicos, lo que les permite operar silenciosamente y ser respetuosos con el medio ambiente. También son duraderos, no requieren mantenimiento innecesario y son adecuados para integrarse en dispositivos voluminosos y flexibles.

Según la investigación:

“La captura de energía térmica para objetos en movimiento a alta velocidad es particularmente prometedora al proporcionar una fuente de energía eficiente y sostenible para mejorar las capacidades operativas y la resistencia.”

El funcionamiento de la tecnología termoeléctrica (TE) se basa en aprovechar las diferencias de temperatura entre una fuente de calor y la temperatura ambiente. Esto permite que la tecnología TE proporcione un suministro constante de energía a dichos sistemas, reduciendo la dependencia de baterías tradicionales mientras se prolongan los tiempos de operación.

Aunque prometedor, los diseños de muchos dispositivos termoeléctricos actuales son complejos y pesados y, por lo tanto, requieren más agua de enfriamiento para mantener la diferencia de temperatura necesaria. Sin embargo, como señaló la investigación, la investigación del diseño de sistemas TEG integrados está muy rezagada respecto al desarrollo de materiales.

Así, guiados por Wenjie Li y Bed Poudel, investigadores de Penn State construyeron un sistema TEG compacto para recuperar energía térmica. Estos sistemas TEG pueden convertir eficientemente el calor residual de escape no solo de automóviles sino también de otros vehículos de alta velocidad, como vehículos aéreos no tripulados o drones y helicópteros, en energía.

Este nuevo TEG utiliza bismuto-telurio como semiconductor. Bi2Te3 es un polvo gris compuesto de bismuto y telurio y posee un excelente rendimiento termoeléctrico a bajas temperaturas.

Además, la investigación utilizó intercambiadores de calor de aletas de placa triangular, similares a los usados en acondicionadores de aire, para capturar el calor de los conductos de escape de los vehículos, como el gas de escape del motor.

También se ha incorporado un disipador de calor para regular la temperatura. Esta pieza de hardware cilíndrica con aleta trapezoidal longitudinal aumenta significativamente la diferencia de temperatura, lo que impacta directamente en la salida eléctrica del sistema TEG.

Este disipador está diseñado para disipar el calor mediante convección forzada, pero el equipo optimizó aún más el diseño usando simulaciones de análisis de elementos finitos (FEA) para aumentar el gradiente de temperatura y la potencia de salida eléctrica.

Con ello, el prototipo TEG del equipo alcanzó una potencia de salida de 40 vatios bajo un gradiente de temperatura de 190 °C con módulos TE basados en bismuto‑telurio. Esta cantidad de energía es suficiente para alimentar una bombilla.

Cabe destacar que los resultados de la investigación mostraron que las condiciones de alto flujo de aire presentes en los tubos de escape aumentan la eficiencia y la salida eléctrica del sistema.

El equipo probó el sistema TEG en simulaciones que imitan entornos de alta velocidad, y demostró gran flexibilidad. Su sistema de calor residual produjo hasta 56 W para velocidades de escape similares a las de un automóvil, lo que equivale a cinco baterías de ion de litio (Li) 18650. Estos valores alcanzaron hasta 146 W para velocidades de escape semejantes a las de helicópteros, lo que equivale a 12 baterías Li‑ion 18650.

Las baterías Li‑ion 18650 ofrecen los beneficios de gran capacidad, larga vida útil, alto voltaje y alto rendimiento de seguridad. Son las más comúnmente usadas en dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos y dispositivos de almacenamiento de energía.

Según los investigadores, el sistema TEG del último estudio puede integrarse directamente en los conductos de escape actuales y eliminar la necesidad de sistemas de refrigeración adicionales.

Los investigadores creen además que este trabajo podría abrir la puerta a la integración práctica de dispositivos termoeléctricos en vehículos de alta velocidad, en medio de la creciente demanda de soluciones de energía limpia.

Haga clic aquí para aprender cómo los vehículos de hidrógeno están regresando.

Los motores de combustión continúan evolucionando

La recuperación de calor de escape de los motores de combustión ha estado generando un creciente interés en aumentar la eficiencia y reducir el consumo de combustible. Estos esfuerzos ayudan a reducir la contaminación ambiental y el calentamiento global.

Además del TEG, se utilizan ciclos de recuperación, dispositivos de turbo-compounding eléctrico (ETC), absorción de vapor, motor Stirling (SE) y generadores termoacústicos (TAG) para extraer calor de los sistemas de escape automotrices e industriales.

Sin embargo, los generadores termoeléctricos han sido los más adoptados como una tecnología fiable, compacta y de estado sólido, que puede convertir el calor directamente en electricidad sin movimiento mecánico. También son ligeros y libres de vibraciones, sin limitaciones de orientación y sin emisiones.

Además de estos métodos de eficiencia de combustible, los motores de combustión también han experimentado otros avances para mejorar su rendimiento, eficiencia y sostenibilidad ambiental.

Esto incluye la inyección directa de combustible, una tecnología que entrega el combustible directamente en la cámara de combustión, permitiendo así un control preciso de la mezcla combustible‑aire. Los turbocompresores, por su parte, comprimen el aire de admisión, permitiendo que motores más pequeños generen potencia comparable a la de sus contrapartes más grandes.

Un desarrollo interesante ha sido la combinación de motores de combustión interna con motores eléctricos, lo que ha dado lugar a sistemas híbridos. Un tren motriz híbrido ofrece la flexibilidad de utilizar energía eléctrica para la conducción a baja velocidad y el motor de combustión para velocidades más altas.

Liderados por marcas como Honda, Hyundai, Lexus, BYD y Porsche, los vehículos híbridos han ganado mucha tracción a nivel mundial, pero aún enfrentan desafíos en cuanto a mayor costo y menor potencia en comparación con los automóviles tradicionales.

Otro desarrollo se ha observado en el combustible que alimenta los vehículos con motor de combustión interna. La exploración de combustibles alternativos como etanol, gas natural, propano y biodiésel busca reducir el impacto ambiental de los motores de combustión al disminuir las emisiones de GEI y reducir su dependencia de los combustibles fósiles.

Entre estos combustibles alternativos, el hidrógeno, en particular, está atrayendo mucha atención de investigadores y empresas que desean salvar los motores de combustión.

Una de las moléculas más simples, el hidrógeno en forma gaseosa, tiene una densidad de energía extremadamente baja a menos que esté a muy alta presión y/o a muy baja temperatura, y aun así, su densidad energética es mucho menor que la de la mayoría de los combustibles líquidos. Esto genera problemas de almacenamiento de combustible. Además, tiene mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx).

Pero donde el hidrógeno destaca es en la velocidad de combustión, que es muy alta, mucho más que la gasolina. Además, la propiedad de cero carbono del hidrógeno, cuando se quema con oxígeno, lo convierte en un combustible alternativo atractivo. Por eso los motores de combustión interna de hidrógeno y las pilas de combustible de hidrógeno están ganando tanta tracción.

Ambos tipos de vehículos utilizan hidrógeno. En los ICEV, el hidrógeno se quema de manera similar a la gasolina, mientras que los vehículos de pilas de combustible de hidrógeno (FCEV) utilizan el hidrógeno en un dispositivo para generar electricidad.

El año pasado, investigadores de la Universidad de Alberta introdujeron una nueva aleación de aluminio‑níquel para revolucionar los motores de combustión de hidrógeno. La aleación AlCrTiVNi5 ofrece alta estabilidad en condiciones de calor extremo, baja expansión térmica y durabilidad superior, lo que la hace ideal para soportar las temperaturas extremas de la combustión de hidrógeno.

Toyota también reveló varios prototipos de ICE el año pasado que pueden funcionar con hidrógeno además de gasolina y otros combustibles.

Liderando los nuevos enfoques de los motores de combustión

Actualmente, los motores de combustión enfrentan una presión creciente por parte de los EV y las regulaciones de emisiones, pero a pesar de todo, continúan dominando el sector del transporte. Esto se debe principalmente a la infraestructura establecida y a la amplia disponibilidad, pero eso no es todo. Las empresas también están avanzando mucho en abordar el problema clave de las emisiones.

Por ejemplo, Cummins (CMI ) y Ford Motor (F ) están invirtiendo en tecnología de motores de combustión de hidrógeno, mientras que ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) ha creado la Arquitectura Duplex Burner para mejorar la eficiencia energética y cumplir con estrictas normas de emisiones.

Así que, echemos un vistazo más profundo al potencial de inversión de un innovador que sigue desarrollando nuevos enfoques para el motor de combustión y ayudándolo a prosperar.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

Un proveedor líder de sistemas avanzados de combustible alternativo, Westport Fuel Systems (WPRT ) opera a través de varios segmentos, incluyendo Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM y Corporate.

Con una capitalización de mercado de 72,5 millones de dólares, las acciones de Westport cotizan actualmente a 4,70 $, con un aumento del 27,93 % en lo que va del año. Su EPS (TTM) es -1,57, y la relación P/E (TTM) es -2,91.

La compañía reportó ingresos de 66,2 millones de dólares en el tercer trimestre de 2024, lo que representó una disminución del 14 % respecto al mismo trimestre del año anterior. Los ingresos fueron impulsados por la transición de los activos Heavy-Duty OEM a Cespira, una empresa conjunta entre Volvo Group y Westport.

Con esta empresa conjunta, Westport Fuel Systems y Volvo Group buscan desarrollar, promover y acelerar la comercialización de la tecnología HPDI. Esto les ayudará a centrarse en impulsar el progreso de soluciones de transporte asequibles y sostenibles utilizando el motor de combustión interna que funciona con combustibles renovables, por ahora, y con hidrógeno en el futuro.

En particular, se espera que la empresa conjunta tenga un impacto significativo en aplicaciones globales de larga distancia y fuera de carretera de gran tonelaje. Los motores de combustión interna alimentados con HPDI, dijo el CTO de Volvo, Lars Stenqvist, se cree que “juegan un papel crucial en los esfuerzos de descarbonización global en el transporte comercial”.

Durante el tercer trimestre, la pérdida neta de la compañía fue de 3,9 millones de dólares, y el efectivo y equivalentes de efectivo al final fueron de 33,3 millones de dólares.

“Seguimos confiados en el papel que los combustibles alternativos desempeñarán para impulsar la sostenibilidad en el futuro del sector del transporte y las aplicaciones industriales.”

– CEO Dan Sceli

Al hablar sobre el hidrógeno, señaló una desaceleración en el desarrollo de infraestructura global, lo que, a su vez, afectó la adopción de aplicaciones automotrices e industriales impulsadas por hidrógeno. Según Dan:

“El éxito de este mercado depende de la instalación de infraestructura y la producción de hidrógeno limpio, ambos los cuales han tardado en materializarse.”

A pesar de esto, la compañía sigue creyendo que el hidrógeno como combustible prevalecerá, pero espera que su adopción mundial como fuente de combustible limpio sea un proceso gradual y no inmediato.

Mientras tanto, Westport continuará ofreciendo una amplia gama de combustibles alternativos de bajo carbono y asequibles, como propano, gas natural, gas natural renovable y hidrógeno.

“Estamos impulsando un rendimiento más limpio al abordar regulaciones de emisiones más bajas con aplicaciones prácticas utilizando la innovación disponible hoy.”

– Dan

Conclusión 

Los motores de combustión son donde comenzó la revolución de la movilidad. Sin embargo, dichos motores solo operan con un rango de eficiencia de alrededor del 40 % mientras tienen un impacto negativo significativo en el medio ambiente debido al uso de combustibles fósiles. El sector del transporte es, de hecho, la segunda fuente más grande de emisiones de gases de efecto invernadero a nivel mundial.

Esto ha llevado al mundo a realizar una transición hacia alternativas más verdes, como los vehículos eléctricos. Pero esto no es todo; incluso los motores de combustión están evolucionando para mantenerse al día con el entorno cambiante, mostrando su potencial sin explotar incluso después de un siglo.

Avances como los generadores termoeléctricos (TEG) para la recuperación de calor residual, los trenes motrices híbridos y los combustibles alternativos como el hidrógeno están impulsando actualmente esta transformación. Con la investigación y la innovación continuas, los motores de combustión están preparados para volverse más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Y a medida que el mundo adopta tecnologías más limpias, no solo coexistirán con los EV, sino que incluso pueden contribuir de manera significativa a un futuro más sostenible.

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